天线和目标检测是制约冲激探地雷达(Ground Penetrating Radar,GPR)目标探测能力的两个关键问题。本文对这两个问题开展了研究,分别从系统层面和算法层面提高了冲激GPR的目标探测能力。在开始天线研究前,本文首先从时域上解释了冲激辐射现象,并将此作为天线研究的理论基础。考虑到蝶形天线具有带宽大、体积小、几何结构简单等优点,非常适合于冲激信号辐射以及GPR系统的集成,本文将蝶形天线作为具体的天线研究对象。通过对蝶形天线基本特性的分析,本文给出了天线几何结构和激励脉冲的选取原则,解决了蝶形天线基本的设计问题。由于冲激GPR天线工作在时域模式以及近场,传统的频域以及远场的天线性能指标不适合衡量冲激GPR天线的性能。本文提出用冲激辐射效率来解决这一问题。根据本文的定义,冲激辐射效率是指天线将激励脉冲转化为高质量探测脉冲的能力,而高质量的探测脉冲则是指其具有强的主脉冲以及弱的拖尾。辐射效率不高正是蝶形天线的瓶颈问题,本文分别从主脉冲增强和拖尾抑制两方面研究了蝶形天线辐射效率提高的方法。在主脉冲增强方面,本文设计了一款超宽带巴伦来改善蝶形天线馈点处的阻抗匹配,以增加馈入天线的整体能量。然后考虑到拖尾中蕴含的可观能量,提出了一种利用拖尾来增强主脉冲的全新方法,与常规蝶形天线相比,该方法可以将主脉冲的峰值提高约100%。在拖尾抑制方面,由于最有效的方法是阻抗加载,因此本文对末端集中加载和分布式加载进行了深入研究。首先研究了末端电阻集中加载中加载位置、加载数量以及加载阻值三个问题。然后针对分布式加载中存在的不利于主脉冲增强的问题,提出了一种兼具拖尾抑制和主脉冲增强功能的分布式加载方式。目标检测的关键在于特征的提取,本文在研究检测算法前,详细分析了GPR目标在不同回波数据形式中的特征,并再此基础上提出了一个目标检测方案。然后根据目标特征分析结果以及目标检测方案,提出了一种改进的基于隐马尔可夫模型的检测算法,以及一种基于互相关和Hough变换相结合的快速检测算法。与已有的检测算法的对比实验表明,改进的隐马尔可夫模型方法具有优良的检测性能,但却没有计算效率上的优势,而基于互相关和Hough变换的方法在具有高计算效率的同时,还保证了不错的检测性能。为了进一步去除杂波,降低目标检测的虚警率,提出了一种基于回波干涉原理的目标回波相位提取方法,提取相位值可从材质上鉴别可疑目标,实测数据实验表明了方法的有效性。此外,还提出了一种利用匹配追踪提取目标散射频率依赖因子的方法,所提取的频率散射因子则可从几何形状上鉴别可疑目标,并用仿真实验验证了方法的性能。
